Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 25. Основные положения теплообмена излучением

жидкие и твердые тела. Поэтому в излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения носит объемный характер.

Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Изменение температуры тела вызывает не только изменение абсолютной величины интенсивности излучения, но сопровождается еще изменением спектрального состава или «цвета» излучения. С повышением температуры повышается интенсивность коротковолнового излучения и уменьшается интенсивность длинноволновой части спектра. Зависимость излучения от температуры значительно большая, чем процессов теплопроводности и конвекции. Поэтому при низких температурах преобладающую роль может играть теплообмен за счет конвекции и теплопроводности, а при высоких – основным видом переноса тепла может быть тепловое излучение.

Равновесное излучение создается источником при постоянной его температуре. Например, тело находится внутри оболочки с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре тела. Неравновесное излучение происходит, когда источник излучения нагревают. Например, в лампах накаливания в энергию электромагнитных волн преобразуется часть тепла, выделяющаяся при протекании электрического тока.

Видылучистыхпотоков. Спектральная плотностьпотокаизлучения. Интегральнаяплотностьпотокаизлучения

Q – интегральный или полный лучистый поток – суммарное излучение с поверхности твердого тела в единицу времени по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн.

Q – поток монохроматического, спектрального или однородного излучения – излучение с поверхности твердого тела в единицу времени, относящееся к узкому интервалу изменений длин волн от до +d .

E ddQF

излучательная способность тела – интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства. Лучистый поток по всей поверхности можно выразить как

Q E dF . Если E = const, то Q = E . F. Здесь F – полная поверхность тела.

F

J dE d

ности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин волн. В этом случае имеет место излучение энергии одного цвета с единицы поверхности по всем направлениям

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 25. Основные положения теплообмена излучением

полусферического пространства, т. е. интенсивность излучения изменяется с длиной волны.

Угловая интенсивность или яркость излучения – количество энергии, испускаемое в определенном направлении единицей площадки, расположенной перпендикулярно направлению излучения, отнесенное к единице элемен-

тарного телесного угла: спектральная B dJd или интегральная B ddE .

Величина яркости, как и интенсивности излучения, в общем случае может изменяться в зависимости от места расположения элементарной излучающей площадки, а также по различным направлениям излучения.

Для направленного излучения плотности лучистых потоков должны быть отнесены к проекции элементарной площадки на плоскость, ортогональную к направлению излучения (рис. 25.1), и тогда для направленного излучения указанные зависимости примут следующий вид ( – угол, составленный нормалью к площадке и направлением излучения): для спектрально-

ddE cos .

Рис. 25.1

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 25. Основные положения теплообмена излучением

Собственное, отраженное, поглощенное, пропущенное,эффективное, результирующееизлучение. Понятиеабсолютночерноготела.

Излучательныехарактеристикиабсолютночерноготела

Рассмотрим разновидности полусферического излучения. Собственное излучение (Q, E) определяется природой данного тела и

его температурой. Обычно тело участвует в теплообмене с другими телами, энергия излучения которых, попадая на данное тело, частично им поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело.

Падающее излучение (Qпад или Eпад) – количество лучистой энергии, падающее на данное тело.

Поглощенная энергия – часть падающей энергии излучения, поглощенная данным телом и преобразованная им во внутреннюю энергию:

Qпогл = A Qпад или Eпогл = A Eпад, где A – коэффициент поглощения. Тела, которые поглощают всю падающую на них энергию теплового излучения

(в том числе и видимый свет), называются абсолютно черными (A = 1, см. рис. 25.2 (1)). В то же время, если поверхность поглощает все лучи, кроме световых, она не кажется черной, хотя по лучистым свойствам близка к абсолютно черному телу из-за высокой поглощательной способности, например, лед и снег, для которых A = 0,95–0,98. Аналогично определяется коэффициент поглощения A для монохроматического излучения, который в общем случае может зависеть от длины волны (3). Тела, для которых коэффициент монохроматического поглощения не зависит от длины волны, называются серыми телами (2). Они поглощают не всю падающую на них лучистую энергию.

Часть падающей энергии, которую тело отражает обратно окружающим его телам, носит название отра-

женного излучения: Qотр = R Qпад или

Eотр = R Eпад, где R – коэффициент от-

ражения. Если R = 1 и процессы отражения подчиняются законам геометрической оптики, то поверхность называется зеркальной; при диффузном отражении (т.е. энергия испускается телом равномерно во всех направлениях) поверхность называют абсолютно белой.

Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называ-

ется пропускательным излучением: Qпроп = D Qпад или Eпроп = D Eпад, где D – коэффициент проницаемости. Тела, у которых D = 1, называются проницае-

мыми, прозрачными или диатермичными телами (тонкие слои сухого воздуха, одноатомных газов). Для твердых и жидких тел принимается D = 0, так как они поглощают лучистую энергию в тонком поверхностном слое.

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 25. Основные положения теплообмена излучением

Лучистый теплообмен – это совокупные процессы взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах различных тел, причем эти тела могут иметь одинаковую температуру. Для тела, участвующего в лучистом теплообмене с другими телами, согласно закону сохранения энергии можно составить следующие уравнения теплового

баланса: Qпад = Qпогл + Qотр + Qпроп; Eпад = Eпогл + Eотр + Eпроп или A + R + D = 1.

Эффективное излучение – сумма собственного излучения и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, лучистый поток

которого выражается зависимостями Qэф = Q + R Qпад, Eэф = E + R Eпад. Эффективное излучение зависит не только от физических свойств и температу-

ры данного тела, но и от физических свойств и температуры окружающих его тел, от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве, поэтому физические свойства эффективного и собственного излучений различны. Различными оказываются и спектры их излучения.

Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, испускаемым в окружающее его пространство. Результирующее излучение может быть оп-

ределено двумя способами: qрез = E – Eпогл = E – A Eпад или qрез = Eэф – Eпад. Тогда эффективное излучение может быть определено как

Eэф 1A E (1 A)qрез .

Из изложенного следует: все виды полусферического излучения, кроме собственного, являются линейными функциями падающего излучения. Собственное излучение объединяется и увязывается с другими видами излучения через эффективное излучение.

Контрольныевопросы

1.Дайте определение теплового излучения, поясните его механизм.

2.Какие виды излучения вы знаете? Какие длины волн им соответст-

вуют?

3.Какое излучение называется селективным или выборочным? В каком случае излучение имеет сплошной спектр?

4.Что называют объемным и поверхностным излучением? Излучение каких групп веществ носит объемный или поверхностный характер?

5.Излучение каких групп веществ имеет сплошной или селективный спектр и почему?

6.Какое излучение называют равновесным или неравновесным?

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 25. Основные положения теплообмена излучением

7.Дайте определение, запишите обозначение и единицы измерения следующих видов лучистых потоков: интегральный поток излучения, спектральный поток излучения, излучательная способность тела, спектральная интенсивность излучения, спектральная яркость излучения, интегральная яркость излучения.

8.Перечислите разновидности полусферического излучения, дайте их определение и запишите выражения для их вычисления.

9.Какие тела называют абсолютно черными? Серыми?

10.В каком случае поверхность называется зеркальной? Абсолютно

белой?

11.Какие среды называют диатермичными?

12.Дайте определение коэффициентов поглощения, отражения и проницаемости. Запишите соотношение между ними.

13.Что называют лучистым теплообменом?

Лекция26. Законытепловогоизлучения

Закон Планка. Правило смещения Вина. Закон Стефана-Больцмана. Закон Кирхгофа. Закон Ламберта. Угловые коэффициенты излучения.

В силу общей природы электромагнитных волн основные законы, которым подчиняется излучение, являются для них общими. Эти законы получены применительно к идеальному телу, которым является абсолютно черное тело, и равновесному излучению, при котором все тела, входящие в данную излучающую систему, имеют одинаковую температуру [18, 21].

ЗаконПланка. ПравилосмещенияВина

Используя статистические методы и гипотезу о квантовом характере теплового излучения, Планк вывел формулу для спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела

Здесь с1 = 0,374 · 10-15 Вт· м2 – первая постоянная Планка; с2 = 1,4388 · 10–2 м· К – вторая постоянная Планка; – длина волны, м; Т – абсолютная температура, К.